2차원 나노소재 분산용액 대량생산 기술 개발

김도현 교수팀, 수력 공정의 전단력(剪斷力)- 혼합특성 이용

▲어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 표지 ⓒKAIST

KAIST 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합특성을 이용해 2차원 나노소재 분산용액을 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.

2차원 나노소재 분산용액은 전자, 에너지 저장 및 전환 소자 개발에 사용되는 용액기반 공정에 직접 적용 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 것으로 기대된다.

2차원 소재는 나노사이즈의 두께로 박리됐을 때 새롭고 우수한 물리, 화학적 특성이 나타나는 장점이 있으나 기존 박리기술들은 용량 증가에 따라 2차원 소재에 균일한 에너지를 주는 것이 어렵고 고비용과 많은 시간이 소요된다.

또 나노두께로 박리된 2차원 나노시트들은 표면에너지의 증가로 다시 원래 두께로 돌아가려는 성질이 있어 유기용매나 계면활성제 등의 사용이 필요해 농도 제어나 응용성에 한계가 있다.

연구팀은 최근 2년간의 연구를 통해 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합효율이 2차원 소재의 박리에 가장 효율적임을 규명했다.

연구팀은 증가된 반응기 용량에서도 이를 균일하게 유지할 수 있는 유동 모델과 응용 분야에 유용한 분산제를 선택해 수용액의 물리적 박리를 통한 고농도 2차원 나노소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.

연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다.

테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노소재가 박리될 수 있다는 장점을 갖는다.

연구팀은 2차원 나노소재를 소량으로도 수용액상 안정화 및 분산시킬 수 있는 이온성 액체를 동국대 한영규 교수팀의 제일원리 계산을 통해 분산제로 선정해 박리효율과 분산농도를 극대화했다.

연구팀은 개발한 분산용액의 성능을 확인하기 위해 막 여과 공정 (membrane filtration process)과 잉크젯 프린터의 잉크에 용액을 적용했다.

연구팀은 고속생산 된 그래핀 분산용액을 막 여과 공정에 적용해 유연하고 높은 전도성의 마이크로 전극 필름을 만들었고, 슈퍼캐패시터 소자의 전극으로 적용했을 때 안정적이고 고성능 용량을 보임을 확인했다.

연구팀은 고속생산 된 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노소재 분산용액을 잉크로 사용해 A4용지에 수 마이크로 두께의 나노소재 패턴을 만들었다. 그 중 그래핀 나노소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.

▲ 김도현 교수 연구팀 ⓒ KAIST

김 교수는 “연구팀의 수용액상 나노소재 고속, 대량 생산기술은 다양한 종류의 2차원 소재들도 쉽게 적용 가능하다”며 “전자, 바이오센서, 에너지 저장 전환 시스템의 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것이다”고 말했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문에 선정됐다. (논문명 : Hydraulic Power Manufacturing for Highly Scalable and Stable 2D Nanosheet Dispersions and Their Film Electrode Application)